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Enero – Abril 2024, Vol. 2, No. 1
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Litio en México y su uso en baterías
Julio César Calva-Yáñez 1
El litio en México
El litio es un elemento alcalino, altamente reactivo
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pegmatitas (rocas magmáticas), salmueras (lagos
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arcillas litíferas y el agua de mar. En México, los
principales recursos de litio están distribuidos en
los estados de Baja California, Sonora, San Luis
Potosí, Zacatecas, Durango y Puebla; donde se
encuentran principalmente en forma de
pegmatitas y salmueras conteniendo minerales con
concentraciones variables de litio. El principal uso
del litio en México y en el mundo es en la
manufactura de baterías, en la industria de la
cerámica y el vidrio, en la producción de grasas y
lubricantes, polvos fundentes, polímeros y en el
tratamiento del aire. Debido a su importancia como
material estratégico para el desarrollo del país, el
18 de febrero de 2023 el presidente de la república
Andrés Manuel López Obrador, firmó el decreto
para nacionalizar el litio, consolidando al mineral
como propiedad de la nación para su exploración
y explotación.
Uso de litio en baterías
Desde el punto de vista de la electroquímica para
el almacenamiento de energía, el litio es un
elemento interesante debido a su bajo peso
atómico (6,941 unidades de masa atómica), radio
iónico pequeño (60 picómetros) que le permite al ion
Li+
difundirse a través de intersticios (espacio entre
átomos) muy pequeños e intercalarse en la
estructura de materiales como el grafito y algunos
otros óxidos de metales de transición y materiales
polianiónicos, al tener la mayor tendencia hacia la
oxidación de todos los elementos de la tabla
periódica, es útil para fabricar baterías con altos
voltajes de operación cuando trabaja en conjunto
con un material catódico adecuado. La primera
aproximación para el uso de este elemento en el
almacenamiento de energía, tuvo lugar con el
desarrollo de baterías primarias (no recargables)
de ánodo metálico de litio comerciales en la
década de 1970. El voltaje de operación de 3.0 V de
estas baterías y su gran tasa de descarga,
permitieron su aplicación en dispositivos
electrónicos de larga vida de operación, como en
tarjetas madre de computadoras o dispositivos
médicos implantables; pues están diseñadas para
proveer energía por más de 15 años. Por otra parte,
en 1974 el químico británico M. Stanley Whittingham
mientras trabajaba para la compañía Exxon en el
área de ingeniería e investigación, observó la
intercalación de iones de Li+ en la estructura
laminar del disulfuro de titanio (TiS2), sin que este
fenómeno generara un cambio significativo en la
estructura cristalina del material, abriendo así la
posibilidad de la existencia de una batería
recargable basada en iones de litio, lo que
finalmente le valió recibir el premio Nobel de
química en 2019 en conjunto con Akira Yoshino y
John B. Goodenough.
Ilustración promocional de los ganadores del
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Las baterías recargables
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externamente durante un número considerable de
ciclos. Son construidas a partir de un ánodo que se
oxida (libera electrones) durante el proceso de
Revista - Divulgación de Ciencia y Educación
Enero – Abril 2024, Vol. 2, No. 1
41
descarga, un cátodo donde el material activo
experimenta un proceso de reducción (acepta
electrones), un separador físico para evitar el
contacto entre el ánodo y el cátodo y un electrolito
que es una sal que contiene un ion portador de
carga que puede estar disuelto en un medio
acuoso o no acuoso. Una de las principales
características que debe cumplir una batería
recargable es poseer una alta capacidad; es decir,
poder almacenar una cantidad significativa de
energía (carga) en un dispositivo de volumen
pequeño y bajo peso. El desarrollo de este tipo de
baterías data de mediados del siglo XIX con la
invención de la batería de plomo-ácido por Gastón
Planté, y la patente de la batería de Ni-Fe por
Thomas A. Edison en 1903, la aparición de las
primeras baterías de níquel-hidruro metálico
(NiMH) para aplicaciones portátiles en 1989 y la
introducción por la compañía japonesa de
electrónicos de consumo Sony de la batería
moderna de iones de litio en 1991.
Baterías secundarias de Li-ion
La estructura de una batería de iones de litio
comercial consta de un ánodo de grafito que se
encuentra depositado sobre un colector de
corriente de cobre. El cátodo está formado por una
capa gruesa de un óxido mixto de
níquel/manganeso/cobalto (NMC) o fosfato de
litio/hierro (LiFePO) que se extiende sobre una
lámina de aluminio que transporta la corriente.
Como separador físico, se emplea una película
delgada y porosa de polipropileno que permite el
libre tránsito de los iones Li+ de un extremo a otro
del dispositivo. Finalmente, como electrolito se usa
hexafluorofostato de litio (LiPF6) en una mezcla de
dimetil/etil carbonato como solvente orgánico.
Para obtener la mayor capacidad de
almacenamiento de energía en el menor volumen
posible, los colectores de corriente deben ser
láminas muy delgadas de metal a las cuales se les
deposita el material activo (grafito y NMC) por
ambos lados, colocando la película separadora
sobre ambas caras del cátodo, posteriormente se
une al ánodo y se enrolla sobre sí misma. Debido a
la elevada reactividad del litio, estas baterías
deben ensamblarse en instalaciones que cuenten
con ambientes controlados para evitar la
interacción con el oxígeno y reducir el riesgo de
incendio.
Estructura interna de baterías de iones de litio
comerciales tipo 18650.
¿Cómo funciona una batería de litio?
El principio de operación de una batería
recargable de iones de litio es el siguiente: Cuando
la batería está completamente cargada, los iones
Li+
se encuentran intercalados entre las láminas de
la estructura de grafito. Al colocar la batería en un
circuito eléctrico o electrónico que demanda
energía, comienza la descarga, durante este
proceso, los iones Li+
abandonan la estructura del
grafito (esto puede variar, entre más energía se le
demanda a la batería, más rápido salen los iones) y
se suman a los iones Li+
presentes en el electrolito,
esto causa una descompensación de carga
respecto a los aniones [PF6]-
promoviendo que
suceda la difusión de iones Li+ a través de los poros
del separador hacia el otro extremo de la batería,
donde finalmente, por el exceso de iones Li+ en esa
sección de la batería se verán obligados a
intercalarse en la estructura del cátodo que se
encuentra cargada negativamente, alcanzando
con esto el equilibrio de cargas en el electrolito.
Durante el proceso de carga de la batería, sucede
el proceso contrario. La capacidad de
almacenamiento de carga de un material es
inversamente proporcional a su peso molecular;
por lo tanto, la capacidad de almacenamiento de
energía de la batería depende directamente del
material activo del cátodo, porque estos pueden
intercalar una menor cantidad de iones al tener un
mayor peso molecular que los materiales del
Revista - Divulgación de Ciencia y Educación
Enero – Abril 2024, Vol. 2, No. 1
42
ánodo. En la actualidad, la capacidad práctica de
una batería de iones de litio se encuentra en el
orden de 100 – 120 mAhg-1 (capacidad de
almacenamiento de energía por unidad de gramo
de material)que es aproximadamente 440 Wh-kg-1 si
el voltaje de operación de la misma es del orden de
3.7 V.
Ilustración de una batería de iones de Li en
descarga. La energía se mueve del ánodo al cátodo
produciendo trabajo útil. Modificada por el autor
de: https://www.autoavance.co/blog-tecnico-
automotriz/baterias-ion-litio-funcionamiento/)
Fabricación y uso de baterías de litio en
México
Las baterías de iones de litio tienen una amplia
versatilidad en sus aplicaciones, las cuales van
desde su uso para energizar dispositivos portátiles
como auriculares, teléfonos inteligentes y
computadoras personales, pasando por su
aplicación en vehículos para electromovilidad
personal como bicicletas y motocicletas eléctricas,
hasta el almacenamiento a mayor escala en
automóviles eléctricos y almacenamiento de
energía renovable residencial. En México el
desarrollo de la actividad industrial basada en la
cadena de valor del litio recién comienza, y los
primeros esfuerzos radican en los estudios para la
exploración, extracción y refinación de mineral de
litio para la producción de hidróxido y carbonato
de litio, materiales que son parte de las materias
primas para fabricar materiales activos del cátodo
y electrolitos de las baterías. El tratado de comercio
entre EE.UU., México y Canadá (T-MEC), así como su
privilegiada ubicación geográfica, con salida
natural al mercado del pacífico, ofrece ventajas
comercializar las materias primas y productos
terminados hacia los Estados Unidos de América,
pero también hacia los mercados de China y Corea;
países que actualmente son los principales
productores de baterías de litio. Por otra parte, la
tendencia hacia la disminución en el consumo de
combustibles fósiles y la electromovilidad generará
que para el año 2030 se produzcan al menos dos
millones de toneladas de sales de litio para
satisfacer la demanda mundial, lo que implica
inversiones de más de 30 mil millones de dólares a
mediano plazo para la construcción de
infraestructura para la extracción, refinación,
procesamiento y manufactura de bienes. Sin
embargo, los beneficios a corto plazo para el país
ya comienzan a ser evidentes, pues desde
principios del año 2023 se han generado diversos
reportes sobre la instalación de plantas para la
fabricación de baterías de iones de litio y
automóviles eléctricos en México, entre las que
destacan la inversiones de empresas como General
Motors y Kia para la reconversión de sus plantas
armadoras hacia automóviles eléctricos, la
instalación de la giga-fábrica de Tesla en Texas y la
intención de esta empresa y la española Endurance
Motive para la instalación de plantas
ensambladoras de baterías en los estados de
Nuevo León y Puebla respectivamente, lo que sin
duda presenta un futuro promisorio para el
desarrollo económico, pero también científico y
tecnológico del país.
Palabras clave: recursos minerales en México; litio;
almacenamiento de energía; baterías secundarias
de iones de litio.
1 Julio César Calva Yáñez: Doctor en Ingeniería por
el IER-UNAM, Actualmente se desempeña como
Investigador por México CONAHCyT, comisionado
al Campus Tijuana del TecNM, donde realiza
investigación en las áreas de conversión y
almacenamiento de energía, reciclaje de baterías y
descontaminación de agua.
Contacto: jccalva@conahcyt.mx
Lecturas recomendadas
Parga-Pérez JJ. (2021) Depósitos de litio y potasio en
el Altiplano Mexicano, San Luis Potosí-Zacatecas,
Revista - Divulgación de Ciencia y Educación
Enero – Abril 2024, Vol. 2, No. 1
43
México. GEOMIMET, edición 353, pp. 14-23.
https://www.revistageomimet.mx/wp-
content/uploads/2021/10/G_353.pdf
Quintero V. Che O. Ching E. Auciello O. de Obaldía
E. (2021) Baterías de iones de litio: características y
aplicaciones. RIDTEC 17 (1), 14-22.
https://revistas.utp.ac.pa/index.php/id-
tecnologico/article/view/2907/3616
Secretaría de Economía. (2018). Perfil de mercado
del litio. Dirección General de Desarrollo Minero,
Gobierno de México.
https://www.gob.mx/cms/uploads/attachment/file
/419275/Perfil_Litio_2018__T_.pdf
Semanario de la UAM (2021) Investigadores de la
UAM crean baterías de ion-litio e impulsan esa
industria en México.
https://www.uam.mx/semanario/repositorio/2021/
pdf/octubre/Semanario-UAM-Anio-3-No-12-
04Oct2021.pdf
Tapia C. Oliver-Tolentino MA. González I. Ramos-
Sánchez G. (2020) Premio nobel de química 2019:
baterías de Ion-Li. Educ. quím 31(1), 12-22.
https://www.revistas.unam.mx/index.php/req/artic
le/view/72730
Recibido: febrero 21 de 2024
Aceptado: abril 09 de 2024
Publicado: mayo 10 de 2024

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Litio en México y su uso en baterías

  • 1. Revista - Divulgación de Ciencia y Educación Enero – Abril 2024, Vol. 2, No. 1 40 Litio en México y su uso en baterías Julio César Calva-Yáñez 1 El litio en México El litio es un elemento alcalino, altamente reactivo y por lo tanto no se encuentra libre en la naturaleza. Usualmente se encuentra unido a otros elementos como aluminio, potasio, silicio, oxígeno y flúor formando minerales como espodumena, lepidolita, ambligonita, petalita, entre otros. Actualmente, se reconocen cuatro tipos de yacimientos o fuentes de litio a nivel global: pegmatitas (rocas magmáticas), salmueras (lagos salados, geotérmicas y campos petrolíferos), arcillas litíferas y el agua de mar. En México, los principales recursos de litio están distribuidos en los estados de Baja California, Sonora, San Luis Potosí, Zacatecas, Durango y Puebla; donde se encuentran principalmente en forma de pegmatitas y salmueras conteniendo minerales con concentraciones variables de litio. El principal uso del litio en México y en el mundo es en la manufactura de baterías, en la industria de la cerámica y el vidrio, en la producción de grasas y lubricantes, polvos fundentes, polímeros y en el tratamiento del aire. Debido a su importancia como material estratégico para el desarrollo del país, el 18 de febrero de 2023 el presidente de la república Andrés Manuel López Obrador, firmó el decreto para nacionalizar el litio, consolidando al mineral como propiedad de la nación para su exploración y explotación. Uso de litio en baterías Desde el punto de vista de la electroquímica para el almacenamiento de energía, el litio es un elemento interesante debido a su bajo peso atómico (6,941 unidades de masa atómica), radio iónico pequeño (60 picómetros) que le permite al ion Li+ difundirse a través de intersticios (espacio entre átomos) muy pequeños e intercalarse en la estructura de materiales como el grafito y algunos otros óxidos de metales de transición y materiales polianiónicos, al tener la mayor tendencia hacia la oxidación de todos los elementos de la tabla periódica, es útil para fabricar baterías con altos voltajes de operación cuando trabaja en conjunto con un material catódico adecuado. La primera aproximación para el uso de este elemento en el almacenamiento de energía, tuvo lugar con el desarrollo de baterías primarias (no recargables) de ánodo metálico de litio comerciales en la década de 1970. El voltaje de operación de 3.0 V de estas baterías y su gran tasa de descarga, permitieron su aplicación en dispositivos electrónicos de larga vida de operación, como en tarjetas madre de computadoras o dispositivos médicos implantables; pues están diseñadas para proveer energía por más de 15 años. Por otra parte, en 1974 el químico británico M. Stanley Whittingham mientras trabajaba para la compañía Exxon en el área de ingeniería e investigación, observó la intercalación de iones de Li+ en la estructura laminar del disulfuro de titanio (TiS2), sin que este fenómeno generara un cambio significativo en la estructura cristalina del material, abriendo así la posibilidad de la existencia de una batería recargable basada en iones de litio, lo que finalmente le valió recibir el premio Nobel de química en 2019 en conjunto con Akira Yoshino y John B. Goodenough. Ilustración promocional de los ganadores del premio Nobel de química en 2019. Tomada de: https://www.lavanguardia.com/ciencia/20191009/47 879717559/premio-nobel-quimica-2019.html Las baterías recargables Las baterías secundarias, son dispositivos electroquímicos basados en reacciones químicas reversibles y por lo tanto pueden recargarse externamente durante un número considerable de ciclos. Son construidas a partir de un ánodo que se oxida (libera electrones) durante el proceso de
  • 2. Revista - Divulgación de Ciencia y Educación Enero – Abril 2024, Vol. 2, No. 1 41 descarga, un cátodo donde el material activo experimenta un proceso de reducción (acepta electrones), un separador físico para evitar el contacto entre el ánodo y el cátodo y un electrolito que es una sal que contiene un ion portador de carga que puede estar disuelto en un medio acuoso o no acuoso. Una de las principales características que debe cumplir una batería recargable es poseer una alta capacidad; es decir, poder almacenar una cantidad significativa de energía (carga) en un dispositivo de volumen pequeño y bajo peso. El desarrollo de este tipo de baterías data de mediados del siglo XIX con la invención de la batería de plomo-ácido por Gastón Planté, y la patente de la batería de Ni-Fe por Thomas A. Edison en 1903, la aparición de las primeras baterías de níquel-hidruro metálico (NiMH) para aplicaciones portátiles en 1989 y la introducción por la compañía japonesa de electrónicos de consumo Sony de la batería moderna de iones de litio en 1991. Baterías secundarias de Li-ion La estructura de una batería de iones de litio comercial consta de un ánodo de grafito que se encuentra depositado sobre un colector de corriente de cobre. El cátodo está formado por una capa gruesa de un óxido mixto de níquel/manganeso/cobalto (NMC) o fosfato de litio/hierro (LiFePO) que se extiende sobre una lámina de aluminio que transporta la corriente. Como separador físico, se emplea una película delgada y porosa de polipropileno que permite el libre tránsito de los iones Li+ de un extremo a otro del dispositivo. Finalmente, como electrolito se usa hexafluorofostato de litio (LiPF6) en una mezcla de dimetil/etil carbonato como solvente orgánico. Para obtener la mayor capacidad de almacenamiento de energía en el menor volumen posible, los colectores de corriente deben ser láminas muy delgadas de metal a las cuales se les deposita el material activo (grafito y NMC) por ambos lados, colocando la película separadora sobre ambas caras del cátodo, posteriormente se une al ánodo y se enrolla sobre sí misma. Debido a la elevada reactividad del litio, estas baterías deben ensamblarse en instalaciones que cuenten con ambientes controlados para evitar la interacción con el oxígeno y reducir el riesgo de incendio. Estructura interna de baterías de iones de litio comerciales tipo 18650. ¿Cómo funciona una batería de litio? El principio de operación de una batería recargable de iones de litio es el siguiente: Cuando la batería está completamente cargada, los iones Li+ se encuentran intercalados entre las láminas de la estructura de grafito. Al colocar la batería en un circuito eléctrico o electrónico que demanda energía, comienza la descarga, durante este proceso, los iones Li+ abandonan la estructura del grafito (esto puede variar, entre más energía se le demanda a la batería, más rápido salen los iones) y se suman a los iones Li+ presentes en el electrolito, esto causa una descompensación de carga respecto a los aniones [PF6]- promoviendo que suceda la difusión de iones Li+ a través de los poros del separador hacia el otro extremo de la batería, donde finalmente, por el exceso de iones Li+ en esa sección de la batería se verán obligados a intercalarse en la estructura del cátodo que se encuentra cargada negativamente, alcanzando con esto el equilibrio de cargas en el electrolito. Durante el proceso de carga de la batería, sucede el proceso contrario. La capacidad de almacenamiento de carga de un material es inversamente proporcional a su peso molecular; por lo tanto, la capacidad de almacenamiento de energía de la batería depende directamente del material activo del cátodo, porque estos pueden intercalar una menor cantidad de iones al tener un mayor peso molecular que los materiales del
  • 3. Revista - Divulgación de Ciencia y Educación Enero – Abril 2024, Vol. 2, No. 1 42 ánodo. En la actualidad, la capacidad práctica de una batería de iones de litio se encuentra en el orden de 100 – 120 mAhg-1 (capacidad de almacenamiento de energía por unidad de gramo de material)que es aproximadamente 440 Wh-kg-1 si el voltaje de operación de la misma es del orden de 3.7 V. Ilustración de una batería de iones de Li en descarga. La energía se mueve del ánodo al cátodo produciendo trabajo útil. Modificada por el autor de: https://www.autoavance.co/blog-tecnico- automotriz/baterias-ion-litio-funcionamiento/) Fabricación y uso de baterías de litio en México Las baterías de iones de litio tienen una amplia versatilidad en sus aplicaciones, las cuales van desde su uso para energizar dispositivos portátiles como auriculares, teléfonos inteligentes y computadoras personales, pasando por su aplicación en vehículos para electromovilidad personal como bicicletas y motocicletas eléctricas, hasta el almacenamiento a mayor escala en automóviles eléctricos y almacenamiento de energía renovable residencial. En México el desarrollo de la actividad industrial basada en la cadena de valor del litio recién comienza, y los primeros esfuerzos radican en los estudios para la exploración, extracción y refinación de mineral de litio para la producción de hidróxido y carbonato de litio, materiales que son parte de las materias primas para fabricar materiales activos del cátodo y electrolitos de las baterías. El tratado de comercio entre EE.UU., México y Canadá (T-MEC), así como su privilegiada ubicación geográfica, con salida natural al mercado del pacífico, ofrece ventajas comercializar las materias primas y productos terminados hacia los Estados Unidos de América, pero también hacia los mercados de China y Corea; países que actualmente son los principales productores de baterías de litio. Por otra parte, la tendencia hacia la disminución en el consumo de combustibles fósiles y la electromovilidad generará que para el año 2030 se produzcan al menos dos millones de toneladas de sales de litio para satisfacer la demanda mundial, lo que implica inversiones de más de 30 mil millones de dólares a mediano plazo para la construcción de infraestructura para la extracción, refinación, procesamiento y manufactura de bienes. Sin embargo, los beneficios a corto plazo para el país ya comienzan a ser evidentes, pues desde principios del año 2023 se han generado diversos reportes sobre la instalación de plantas para la fabricación de baterías de iones de litio y automóviles eléctricos en México, entre las que destacan la inversiones de empresas como General Motors y Kia para la reconversión de sus plantas armadoras hacia automóviles eléctricos, la instalación de la giga-fábrica de Tesla en Texas y la intención de esta empresa y la española Endurance Motive para la instalación de plantas ensambladoras de baterías en los estados de Nuevo León y Puebla respectivamente, lo que sin duda presenta un futuro promisorio para el desarrollo económico, pero también científico y tecnológico del país. Palabras clave: recursos minerales en México; litio; almacenamiento de energía; baterías secundarias de iones de litio. 1 Julio César Calva Yáñez: Doctor en Ingeniería por el IER-UNAM, Actualmente se desempeña como Investigador por México CONAHCyT, comisionado al Campus Tijuana del TecNM, donde realiza investigación en las áreas de conversión y almacenamiento de energía, reciclaje de baterías y descontaminación de agua. Contacto: jccalva@conahcyt.mx Lecturas recomendadas Parga-Pérez JJ. (2021) Depósitos de litio y potasio en el Altiplano Mexicano, San Luis Potosí-Zacatecas,
  • 4. Revista - Divulgación de Ciencia y Educación Enero – Abril 2024, Vol. 2, No. 1 43 México. GEOMIMET, edición 353, pp. 14-23. https://www.revistageomimet.mx/wp- content/uploads/2021/10/G_353.pdf Quintero V. Che O. Ching E. Auciello O. de Obaldía E. (2021) Baterías de iones de litio: características y aplicaciones. RIDTEC 17 (1), 14-22. https://revistas.utp.ac.pa/index.php/id- tecnologico/article/view/2907/3616 Secretaría de Economía. (2018). Perfil de mercado del litio. Dirección General de Desarrollo Minero, Gobierno de México. https://www.gob.mx/cms/uploads/attachment/file /419275/Perfil_Litio_2018__T_.pdf Semanario de la UAM (2021) Investigadores de la UAM crean baterías de ion-litio e impulsan esa industria en México. https://www.uam.mx/semanario/repositorio/2021/ pdf/octubre/Semanario-UAM-Anio-3-No-12- 04Oct2021.pdf Tapia C. Oliver-Tolentino MA. González I. Ramos- Sánchez G. (2020) Premio nobel de química 2019: baterías de Ion-Li. Educ. quím 31(1), 12-22. https://www.revistas.unam.mx/index.php/req/artic le/view/72730 Recibido: febrero 21 de 2024 Aceptado: abril 09 de 2024 Publicado: mayo 10 de 2024